带有热存储单元的集成式热发电机的制作方法

专利名称：带有热存储单元的集成式热发电机的制作方法
技术领域：
本发明各实施例的技术领域涉及发电。具体而言，本发明各实施例涉及将热能转 换为电能。
背景技术：
随着对能量需求的增加，化石燃料之外的替代能源成为未来能量供应的关键方 向。热-电能量是能够转换(比如将热能转换为电能)的替代能源。传统的热发电机在两 种介质之间存在有温差时能够产生电能。一旦在媒介内存在有温度梯度，充电载体比如电 子就从一个温度区扩散或迁移至另一个温度区。传统热-电发电机(下称为“TEG”)设备收集来自热能源比如太阳能的热能以加 热水产生蒸汽，其中该蒸汽随后激励机械涡轮机产生电能。通常，各TEG单元(cell)对维 护有较高的要求，且具有许多运动部件。由于传统TEG单元的尺寸较大且功率输出较低，所 以作为替代功率源是没有吸引力的。与该传统TEG单元相关的一个问题是，由热能源提供的热量可能不具有一贯性。 例如，由于太阳落山或多云天气而导致热量减少，则功率输出会突然降低。在晴朗艳阳天后 的多云天里，由于缺少持续的热量供应，通常难以维持TEG单元的同样水平的功率输出。此 外，TEG系统产生的输出功率可能会降低，而且在把热源去除(例如夜晚)时TEG系统产生 的输出功率最终会停止。为了矫正此种缺陷，传统的方法是使用外部电池来存储白天产生 的过量能量，在夜晚时取回该存储的电能。外部电池能够增加额外的复杂性和整体系统成 本。

发明内容
本发明公开一种由热能产生电能的方法和多层固态热-电发电机(”MSTEG”)系 统。MSTEG系统包括热层、调节层以及存储层。在一个实施方式中，该热层包括多个集成式 热-电发电机(“ITEG”)设备，其中该集成式热-电发电机(“ITEG”)设备被构型为响应 一定的热条件而产生电能。取决于所使用的ITEG设备类型，该热条件能够是从200°C (摄 氏度)或更低至1200°C或更高之间的温度范围。该调节层包括淀积在热层上的多个热调节 器，其中该热调节器调节温度。该存储层包括淀积在调节层上的一个或多个热存储槽，其中 每个热存储槽能够存储热量。从下面所述的详细描述、附图、权利要求书中可显而易见地看到本发明示例性实 施例的附加特点和优点。


从下面针对本发明各种实施例的详细描述以及本发明所附的附图中可以更为完 全地理解本发明的示例性实施例，但是，这些描述和附图不应该被用来将本发明限制于具 体的实施例，相反仅仅是用于说明和理解。图1是示出根据本发明的一个实施例使用ITEG设备的MSTEG系统的方框图；图2是示出根据本发明的一个实施例使用ITEG设备、能在不同温度区运行的 MSTEG系统的方框图；图3是示出根据本发明的一个实施例，使用ITEG设备具有多个热存储层的MSTEG 系统的方框图；图4是示出根据本发明的一个实施例，使用ITEG设备、具有能在不同温度区运行 的多个热存储槽的MSTEG系统的方框图；图5是示出根据本发明的一个实施例，使用ITEG设备和多个热腔室的MSTEG系统 的方框图；图6是示出根据本发明的一个实施例，使用ITEG设备、带有监测层与层之间温度 的热传感器的MSTEG系统的方框图；图7是示出根据本发明的一个实施例，使用ITEG设备的MSTEG系统的三维框图；图8是示出根据本发明的一个实施例，使用多个热发电机(”TEG”)设备的ITEG 布局的方框图；图9是示出根据本发明的一个实施例，通过串联与并联相结合而连接的TEG单元 阵列的方框图；图10是示出根据本发明的一个实施例通过MSTEG系统经由热能产生电能的工艺 的流程图；以及图11是示出根据本发明的一个实施例装配MSTEG系统的工艺流程图。
具体实施例方式在使用采用ITEG设备的多层固态热-电发电机用热能产生电能的方法、系统和设 备的上下文中，描述了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员会认识到，下面对示例性实施例的详细描述仅仅是示意性的， 而绝不是用于限制目的。其它的实施例本身会易于启示获知本披露内容的技术人员。现在 详细地参照如图所示的示例性实施例的实施。在整个附图和下面的详细描述中使用相同的 附图标记来标示相同或类似部分。“一个实施例”、“实施例”、“举例实施例”、“各种实施例”、“示例性实施例”、“一个方 面”、“方面”、“示例性方面”、“各个方面”等表示如此描述的本发明的实施例可以包括特定 特征、结构或特点，但是，并不是每一个实施例都必然地包括特定特征、结构或特点。进一步 而言，术语“在一个实施例中”的重复使用并不是必然地指同一个实施例，尽管“在一个实施 例中”也可以指同一个实施例。出于简洁目的，并不是实施方式的所有常见特征都在此展示和讨论。当然，应当理 解在对任何此种实际实施的开发中，必须制定各种与实施相关的决定以便实现开发者的
5具体目标，比如符合与应用和商业相关的条件，并且这些具体目标会因实施方案而不同、因 开发者而不同。而且，还会理解此种开发的努力可能是复杂且费时的，但是尽管如此，对于 本领域的获知本披露内容的人士而言在工程上会是一个日常任务。现在详细参照本发明的实施例，“集成式热发电机与存储系统”。尽管本发明可以 结合实施例进行描述，但是可以理解，它们不是用来将本发明限制于这些实施例。相反的 是，本发明的实施例旨在覆盖可以被包括在由权利要求书、说明书、附图限定的本发明的精 神和范围内的替换物、改型和等同物。本发明的实施例披露一种能由热能产生电能的多层固态热-电发电机(“MSTEG”) 系统。MSTEG系统包括热层、调节层以及存储层。在一个实施例中，热层包括多个构型为响 应热条件而产生电能的集成式热-电发电机(“ITEG”)设备。该热条件能够是用于指定热 层之一的&和Tim之间的温度范围。该调节层包括多个淀积在热层上的热调节器，其中热 调节器调节温度。存储层包括一个或多个淀积在调节层上的热存储槽，其中每个热存储槽 能够存储热量。图1是方框图100，其示出根据本发明一个实施例使用ITEG设备的MSTEG系统。 框图100示出热能源132和MSTEG系统，其中MSTEG系统包括热收集表面102、热存储平面 (plane) 104、第一热平面106、第二热平面110。热能源132可以是太阳热辐射、地热和/或 人工热源。注意到，可以在区域108中淀积或添加额外热平面。应该注意到如果一个或多 个平面和/或层被添加到框图100或从该框图100去除，则不会改变实施例的底层概念。热收集表面102是MSTEG系统的一个暴露于外部热源或外部热能源132的表面区 域。热收集表面102的一个功能是在表面102的热暴露侧101吸收热能，随后将该吸收的热 能从表面102送至平面104-110。注意到，外部热能源132包括太阳热能、地热、人工热能源 以及生物质热反应器之一或者太阳热能、地热、人工热能源以及生物质热反应器的结合。例 如，热收集表面102可以用吸热材料组装，比如铝、铜、碳、二氧化硼、二氧化硅、钛，以及铝、 铜、钛、碳、二氧化硼、二氧化硅之一或多个的化合物。热存储平面104包括一个或多个在一段时间内存储热量或热能的热吸收层。在一 个方面，热存储平面104包括一个或多个被称为热电池、热槽、热储器或热存储的Thermal Tank (热槽 )。热存储平面104能够进一步包括绝缘层和存储层，其中存储层可以被分割 为存储热量的多个子层或块。热存储平面104中的不同子层或块存储不同温度的热量。尽 管存储层捕获热量，但绝缘层起维持或容放该热量的作用。在吸收一定量的热能或热量后，为了固持该热量，例如，热槽的一部分或块可以或 不会将其物理形态从固态改变至液态。当外部热源132不再可得时，在其随后的时间点释 放存储的热量。在一个例子中，热存储表面104可以用吸热材料和/或相变材料制造，比如 铝、铜、碳、二氧化硼、二氧化硅、钛，以及铝、铜、钛、碳、二氧化硼和/或二氧化硅之一或多 个的化合物。注意到，取决于应用场合，热槽 能够被放置在MSTEG系统的底部或侧面。第一热平面106包括调节层126和热层124，其中调节层126包括一个或多个调节 器128。调节器128调节在热层124的温度，并引导过量的热量旁通过(绕过，bypass)热 层124。在一个实施例中，调节层126包括调节器128阵列以利于管理热量。调节器128可 以由微电子机械系统(“MEMS”)设备用半导体装配工艺制造。替换地，调节器128也能够 由与温度相关的化合物材料制造，以利于热量根据其温度而通过。
热层124包括热腔室，该热腔室含有ITEG设备122的MXN矩阵，其中M和N是整 数。下面将详细讨论的每个ITEG设备122，被构型为响应ITEG设备122周围的环境温度而 产生电能。在一个实施例中，位于热层124中的ITEG设备122被构型为在一个比如500°C 和700°C之间的特定温度范围内以最优效率运行。平面106-110的电能输出被输送给电网134以用于功率输出。也被称为输出电路、 功率输出单元、功率转换设备等的电网134，能够输出各种电压，比如6伏、12伏、或18伏。 替换地，输出网134提供DC (直流)功率、AC (交流)功率和/或DC与AC功率。注意到， 电网134是可以编程的以选择特定电压水平。类似地，第二热平面110包括调节层116和热层114，其中调节层116包括一个或 多个调节器118。与调节器128类似，调节器118调节在热层114处的温度，并引导过量热 量旁通过热层114。调节层116包括调节器118阵列以利于管理热量。与调节器128—样， 调节器118可以使用MEMS技术通过半导体装配工艺制造。替换地，调节器128也能由与温 度相关的材料制造，以利于热量响应热量的温度而通过。热层114包括含有ITEG设备112 的MXN矩阵的热腔室。每个ITEG设备112被构型为响应ITEG周围环境温度而产生电能。区域108表明额外热平面和存储平面能够根据应用场合被添加。在一个实施例中，MSTEG系统还包括一个或多个热通道150，该热通道150允许热 量在抵达其目标之前穿过或旁通过一个或多个平面或层。热通道150被构型为将不同量的 热量152-160输送至不同的层和/或平面。例如，当MSTEG系统过热时，热通道150将系统 的过量热量160释放以冷却该系统。MSTEG系统包括由多个热调节器分隔的多个热腔室和多个ITEG设备。MSTEG系统 还包括热槽 设计以含有用于热存储池(reservoir)的热存储层或柱。在从热源132吸收 热能后，热能进入热槽""所处的热腔室。最后，热量抵达第一级的热调节器128，该热调节 器128控制供给ITEG设备122来产生电能的热量。当热量的温度与其热电材料特性匹配 时，获得热电转换的最优效率。过量的热量进入下一级的热腔室，下一层的ITEG设备由该 下一级的热腔室以其最优效率产生电能。热调节器118或128用来调节热量，从而能够实 现每一层114或124的热电转换效率的改进和优化。参照附图1，当存在外部热源132时，在热收集表面102收集热量，然后热量抵达 热槽 130。取决于热槽 的容积，热量能够存储于其中以待随后使用。在一个例子中，热 量的一部分进入热槽 130中，而热量的另一部分继续行进到不同层。替换地，在热槽,30 被完全充满或存储前，没有热量抵达层124或114。当外部热源132减少和/或消失时，将存储的热量从热槽 130释放到层114或 124中的ITEG设备112或122中。注意到，在没有外部热源132之后，存储的热量使MSTEG 系统继续产生电能。将热量从热槽 130释放的持续时间取决于热槽 130所用的媒介的比 热容以及热槽 130的尺寸和容积。例如，如果MSTEG系统使用在热源大部分时间都存在的 场合，则可以采用小容积的热槽 130来降低整体系统尺寸和成本而仍能维持一整天的足 够功率输出。如果MSTEG系统使用在热源比如太阳能源周期地消失的场合的话，大容积的 热槽 130可以被用来维持系统的连续输出功率。替换地，热槽 130通过降低功率波动比如功率浪涌进一步使功率输出平滑。功率 波动能对电气元件和/或器具产生危害。例如，当热量供应在一段时间缺少之后突然变得不可获得时会产生波动。注意到，用于MSTEG系统的热槽 130的容积可以是应用特定的。 热槽 130允许MSTEG系统在热源132消失后在一段延伸时间内产生电能。在运行期间，当存在热源132时，热槽,30在其媒介内存储热能，该媒介具有比热 容且由吸热材料制成。当外部热量随着时间消失或缓慢减少时，存储在热槽 130中的热能 释放热量以补偿来自减少的外部热源的热损失。存储在热槽 130中的热量的量取决于用 在设计中的如具体要求所规定的尺寸和热材料。在一个方面，MSTEG系统以此种方式设计 为该系统能24小时地连续输出电能。此外，当热源134产生的热量的量随着时间波动时， 热槽 130消除或降低功率浪涌。在一个方面，能够响应外部热源产生电能的MSTEG系统包括第一热层、第一调节 层以及第一存储层。该第一热层包括多个构型为响应第一热条件而产生电能的第一 ITEG 设备。该第一 ITEG设备被组织为阵列构型，使第一 ITEG设备的至少一部分串联连接。替 换地，许多第一 ITEG设备被组织为阵列构型，使第一 ITEG设备的至少一部分并联连接。注 意到，第一热条件是与第一热层相关的温度。第一调节层包括多个淀积在第一热层上的热调节器。该多个热调节器调节温度或 温度范围。该热调节器包括能够检测和/或监测温度的热传感器。该热调节器调节与第一 热层相关的温度。第一存储层包括一个或多个淀积在第一调节层上的第一热存储槽，其中每个第一 热存储槽能够存储热量。在一个实施例中，MSTEG系统还包括第二热层、第二调节层和第二 存储层。第二热层包括构型为响应第二热条件而产生电能的第二 ITEG设备。第二热层淀 积在第一存储层上。第二调节层包括淀积在第二热层上的热调节器，其中热调节器调节温度。第二存储层包括一个或多个放置在第二调节层上的第二热存储槽，其中每个第二 热存储槽能够存储热量。MSTEG系统还包括淀积在第二存储层上的热收集表面，其中热收集 表面能够吸收来自热源的热量。在一个方面，散热通道被构造为穿过多层以传递热量。应 该注意到，每个热存储槽通过预定辐射计划将存储的热量传播过多层。第二 TEG单元被构 型为在比第一 TEG单元提供电能所处温度更高的温度下产生电能。在一个方面，第一热存 储槽和第二热存储槽被构型为存储不同温度的热量。再参照附图1，MSTEG系统是可以扩展的且取决于构型能产生大的输出功率。例 如，带有三层ITEG设备且在每一层有3个相同ITEG设备的系统，具有总共9个ITEG设备 和三种类型的带有不同热电材料的ITEG设备。例如，带有三层ITEG设备和3个相同ITEG 设备的系统的输出功率大于带有三层且每层有1个ITEG设备的系统的输出功率。类似地， 带有三层ITEG设备且每层有1个ITEG设备的系统具有比带有仅二层ITEG设备且每层有 1个ITEG设备的系统要高的输出功率。使用本发明采用先进热电材料以及嵌入热存储设备的实施例的优点是，提供简易 又成本有效的方法来全天候产生功率。尽管热源可以是太阳能、地热、商业功率设备的热蒸 汽、工业设备(industrial plants)以及生物燃料之一，MSTEG系统能够以相对较少的运动 部件由热源产生电能。图2是示出根据本发明的一个实施例，使用ITEG设备、能在各个温度区运行的 MSTEG系统的方框图200。框图200包括热源132和含有七个平面202-214的MSTEG系统。每个平面可以包括一个或多个容放多个ITEG设备的热腔室。在一个实施例中，MSTEG系统 还包括一个或多个热通道150，其中每个热通道150允许热量在抵达其目的地前穿过或旁 通过一个或多个平面或层。热通道150被构型为将不同量的热量输送到不同层或平面。当 MSTEG系统过热时，热通道150将额外的热量从系统输送到冷却层214。应该注意到，如果 一个或多个平面或层被添加到框图200或从其去除，不会改变实施例的底层概念。平面202类似于图1的热收集表面102，是MSTEG系统暴露于外部热能源132以吸 收热量的表面。平面204类似于图1的热存储平面104，能够在一段时间内存储热量。平 面206-212包括四个被构型为在不同温度区域或从Tn到Ttl范围运行的热平面。与图1的 第一热平面106类似，平面206-212的每一个包括含有调节器的调节层和含有ITEG设备的 热层。平面214是能够提供对MSTEG系统过热管理的冷却层。在一个方面，冷却层使用水 来冷却系统，从而冷却层可以在冷却系统时提供温水或热水。在一个实施例中，热平面206被构型为在之间的温度范围运行，其中Tn 表示第N个热平面处的温度，N可以是任何实的整数。例如，Tn可以是1200°C而Tim可以 是900°C。尽管热平面208能被构型为在Tim和T2之间的温度范围运行，热平面210可以 在T2和T1之间的温度范围运行，其中TN_i、T2和T1例如可以分别是900°C、700°C和500°C。 进一步而言，热平面212可以被设定为在200°C或之下之间的温度范围处运行以产生电能。 取决于所使用的材料，可以在平面之间改变温度范围。而且，可以添加、会合和/或去除额 外的热平面和/或热存储平面，即取决于系统设计规格，N值能够相应地改变。 图3是示出根据本发明的一个实施例，使用ITEG设备、具有多个热存储层的MSTEG 系统的方框图300。框图300示出热能源132和MSTEG系统，该MSTEG系统包括热收集表面 102、热存储平面104、第一热平面106、第二热平面110。热能源132可以是太阳能热辐射、 地热和/或人工热源。注意到，可以在区域108中淀积或添加额外的热平面。图3所示的MSTEG系统类似于图1所示的MSTEG系统，不同处在于框图300的 MSTEG系统包括多个热存储层302。在一个方面，每个热平面包括存储层302、调节层116或 126、以及热层114或124。在一个实施例中，热存储层302包括一个或多个热槽 306，其中 每个热槽"1306能够在外部热供应减少时释放热量。带有热存储单元的ITEG设备示出在有 或没有持续的外部热供应时通过持续的热供应产生电能的有效方式。热调节系统能够使用热调节器和多个热腔室输出所需的输出功率。热腔室用来容 放热调节器以及单个或多个TEG单元。在一个实施例中，用绝缘和热反射器材料制造腔室 以防止腔室的热量损失。热调节器用来调节在热调节系统内的热腔室内的温度，通过获得 与ITEG设备中使用的热电材料类型匹配的特定温度范围而实现最优的功率输出。由热调 节系统的结构确定所需的输出功率，该热调节系统包括多个TEG单元、热腔室和热调节器。 会认识到其他实施方案也是可能的(例如将一个或多个平面与其他平面结合，和/或可以 不必执行本发明的一个或多个方面)。图4是示出根据本发明的一个实施例，使用ITEG设备、具有多个热存储槽，能在 不同温度区域运行的MSTEG系统的方框图400。框图400包括热源132和MSTEG系统，该 MSTEG系统还包括七个平面202-214。每个平面可以包括一个或多个容放多个ITEG设备的 热腔室。在一个实施例中，MSTEG系统还包括一个或多个热通道150，其中热通道150允许 热量在抵达其目的地之前穿过或旁通过一个或多个平面或层。应注意到，如果将一个或多
9个平面或层添加到框图400或从其去除，不会改变实施例的底层概念。图4的MSTEG系统类似于图2的MSTEG系统，不同处在于框图400中的MSTEG系 统包括多个热存储层402-406。在一个方面，每个热层402-406包括一个或多个存储热量的 热槽 306。每个热层402-406能根据各个热平面周围的环境温度释放热量408-412。图5是示出根据本发明一个实施例，使用ITEG设备和多个热腔室的MSTEG系统 的方框图510。热调节系统500包括多个热腔室510、多个热调节器520、以及多个ITEG设 备540、550。在一个例子中，ITEG设备540、550由不同热电材料制造，从而它们能在不同 温度范围运行。热调节器520用来调节ITEG设备540、550的每个热腔室内的温度。例如， ITEGb550具有在700°C运行的热电特性，而ITEGB540具有在450°C运行的热电特性。当在 700°C将热量施加入第一热腔室510且对其调节时，ITEGb550设备产生具有最大输出功率 的更为所需的效率。然后，在450°C过量的废热通过热调节器520被传送至下一个热腔室 510。ITEGa540设备在与ITEGb550运行的温度范围不同的温度范围产生具有最大输出功率 的最优效率。所产生的输出功率是ITEG设备540、550两个独立层的功率之和。注意到输 出功率的量可以取决于层的数量以及每层中所用的ITEG设备540、550的数量。热腔室510是一个容纳产生电能的ITEG设备540、550的空间。多层绝缘材料和 反射器形成热腔室的壁，帮助最小化热损失。热腔室510的尺寸确定其能容纳的ITEG设备 540,550的最大数量。此外，其热绝缘壁的有效性确定热量被保持在热腔室510内的持续时 间，以产生恒定和连续的输出功率供应。图6是示出根据本发明的一个实施例，使用ITEG设备、带有热传感器，用于监测各 层之间的温度的MSTEG系统的方框图。热调节器520将两个容纳ITEG设备540、550的相 邻热腔室510隔开。在ITEG设备540、550的热侧有一个热传感器监测温度。当温度太低 不能获得最优输出功率时，它允许更多的热量从底层流向当前层。与此相反的是，当温度太 高时，它阻止热量从底层流动，甚至可以将热量释放到上层，尝试获得由ITEG设备540、550 的当前层所需的用于最优输出功率的温度。图7是示出根据本发明的一个实施例，使用ITEG设备的MSTEG系统的三维方框图 700。框图700包括热源134和MSTEG系统，该MSTEG系统包括热收集表面132、热存储平面 104、四个热平面706-710。每个热平面706-710包括多个未示的层，还包括由连接714连接 的ITEG设备712阵列。根据应用场合，ITEG设备的MXN矩阵的尺寸可以变化。应该注意 到，如果将一个或多个平面添加到框图400或从其去除，不会改变实施例的底层概念。图8是示出根据本发明的一个实施例，使用多个TEG单元的ITEG设备800的布局 的方框图。ITEG设备800包括许多布置成MXN矩阵阵列构型的小型(或微型)TEG单元 802。由于每个TEG单元802的输出功率的量非常小，可以是毫瓦的数量级，在矩阵阵列中 连接多个TEG单元能够提高功率输出。MXN阵列的尺寸取决于设备的所需物理尺寸以及按 所需的电流(单位安培)和电压(单位伏特)表述的输出功率量。来自TEG单元810阵列 的功率输出的累计或积累的最终量可以是瓦特和/或千瓦的数量级。正输出终端804和负 输出终端806用于功率输出。带有预设电压和电流输出的ITEG设备包括基础TEG单元，该 TEG单元可以复制为TEG单元的大型阵列以形成ITEG设备。在一个方面，MXN矩阵阵列中 的TEG单元能够通过并联和串联构型产生预设的电压和电流输出。图9是示出根据本发明的一个实施例，通过串联和并联相结合而连接的TEG单元
10阵列的方框图900。框图900包括TEG单元的矩阵，放置在热腔室内用于响应热腔室周围的 环境温度而产生电能。在一个方面，TEG单元的矩阵通过连接810-820、902-904互连，其中 TEG单元串联906、并联908或采用串联906和并联908相结合的方式连接。注意到，每个 TEG单元能取决于并联或串联构型产生一定的以伏特计的电压或以安培计的电流。参照图9，取决于以电压和电流计的功率输出的要求，TEG单元的MXN阵列能够按 并联和/或串联的方式构型。TEG单元的并联构型通过将每个并联连接的TEG单元的单个 输出电流相加提供了较高的电流输出。TEG单元的串联构型通过将每个并联连接的TEG单 元的单个输出电压相加提供了较高的输出电压。例如，如图9所示，TEG单元的50X40矩阵 中的每个TEG单元对每一行908为并联布线而对列906为串联布线，如果每个TEG单元能 够产生100毫瓦和150毫安，则TEG单元的矩阵的电压输出是5伏(100 X IO"3X 50 = 5. 0V) 和6安培(150 X Kr3 X 40 = 6. OA)。最终的输出功率为5. 0X6. 0 = 30瓦。应注意到，互 连设计独立于布置在矩阵阵列中的单个TEG单元。因此，为了设计和实施ITEG设备，柔性 互连和/或可编程互连能够提供附加的柔性和伸展性。本发明示例性实施例包括各种下面描述的加工步骤。该实施例的各个步骤可以机 器或计算机可执行指令来实施。这些指令能被用来使以指令编程的通用目的或特殊目的 系统执行本发明示例性实施例的步骤。替换地，本发明示例性实施例的各个步骤可以由含 有用于执行各个步骤的硬布线逻辑的特定硬件元件来执行，或者由编程计算机元件和定制 (custom)硬件元件的任何结合来执行。尽管要参照Internet来描述本发明的实施例，但在 此描述的方法和设备同等地适用于其它网络架构或其它数据通信环境。图10是示出根据本发明的一个实施例，通过MSTEG系统经由热能产生电能的工艺 的流程图1000。在框图1002，能够实施由MSTEG系统提供的功能的工艺，可以接纳来自热 能源的热能。例如，该工艺被构型为吸收来自太阳能源、地热源、工业设备以及生物质热源 的热量。在框图1004，该工艺将热能的第一部分存储于也被称为热槽 的热存储池中。在 一个方面，该工艺能够将不同的热量存储于按热存储层或槽构造的不同的热子存储池中。在框图1006，该工艺经由散热通道或热通道引导热能的第二部分旁通过含有至少 一个热存储池的热存储层。该工艺允许热量从含有热槽的存储层辐射至第一热层。在框图1008，该工艺能够感测热能的第二部分的第一温度范围和第二温度范围。 在一个方面，每一层或平面的温度由一个或几个温度传感器监测。在框图1010，该工艺在含有第一 ITEG设备的第一热层调节第一温度范围。在一个 方面，该工艺能够在第一热层维持预定的温度范围以在一段时间内产生电能。在框图1012，该工艺被构型为响应第一温度范围由ITEG系统产生电能。在感测第 二温度范围的第一子范围和第二温度范围的第二子范围时，该工艺在含有ITEG系统的第 二热层散播第二温度范围的第一子范围。该工艺响应第一子温度范围由第二 ITEG系统产 生电能。图11是示出根据本发明的一个实施例装配MSTEG系统的工艺的流程图1100。在 框图1102，该工艺在衬底上淀积多个TEG单元。在框图1104，该工艺在第一 TEG单元上形 成运行来产生电能的第一热腔室。在框图1106，能够调节温度的多个第一热调节器淀积于 第一热腔室上。在将第二 TEG单元淀积于多个第一热调节器上时，在第二 TEG单元上形成运行来产生电能的第二热腔室。随后，该工艺在第二热腔室上淀积能调节温度的第二热调 节器。在框图1108，含有一个或多个热电池的热存储层淀积于热调节器上用于存储热量。 热收集表面淀积于热存储层用于吸热。从以上描述可知，本领域的普通技术人员会明白，此种带有存储系统的集成式 热-电发电机的当前设计可以全天候地白天和晚上产生高水平的电能。使用太阳能热量、 功率工厂的热能、工业设备、地热和生物质能产生电能，帮助世界减少对全球自然资源比如 化石燃料、煤炭等的消耗。此外，在该设计中所用的材料具有极少的有害物质，与太阳能PV 技术不同，太阳能PV技术使用硅和硅工艺技术，在其寿命终止或升级此系统时，由于要处 置这些材料而有害于环境。由于热源是现成地从自然界获得的，所以对通过当前设计来获 得可供消费的电能的可行性基本是没有限制的。尽管已示出和描述了本发明的特定实施例，但是，本领域的技术人员会显然明白 根据在此的教导，可以进行一些修改和改型而不会脱离本发明的该示例性实施例及其扩展 的方面。因此，后附的权利要求书用于将落入本发明的该(些)示例性实施例的真正精神 和范围内的所有此种修改和改型都囊括入其范围内。
权利要求
一种能产生电能的设备，其包括第一热层，其包括多个第一集成式热发电机(“ITEG”)设备，该第一集成式热发电机(“ITEG”)设备被构型为响应第一热条件而产生电能；第一调节层，其包括多个淀积于所述第一热层上的热调节器，其中该多个热调节器调节温度；以及第一存储层，其包括一个或多个淀积于所述第一调节层上的第一热存储槽，其中每个第一热存储槽能够存储热量。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括第二热层，其包括多个第二 ITEG设备，该第二 ITEG设备构型为响应第二热条件而产生 电能，其中该第二热层淀积于所述第一存储层上；第二调节层，其包括多个设置于所述第二热层上的热调节器；其中该多个热调节器调 节温度；以及第二存储层，其包括一个或多个设置于所述第二调节层上的第二热存储槽，其中每个 第二热存储槽能够存储热量。
3.根据权利要求2所述的设备，还包括淀积于所述第二存储层上的热收集表面，其中 该热收集表面能够吸收来自热源的热量。
4.根据权利要求3所述的设备，还包括多个被构造为穿过多个层的作热传递用的散热 通道。
5.根据权利要求1所述的设备，其中多个第一ITEG设备被组织为阵列构型，其中多个 第一 ITEG设备的至少一部分串联连接。
6.根据权利要求5所述的设备，其中多个第一ITEG设备被组织为阵列构型，其中多个 第一 ITEG设备的至少一部分并联连接。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一热条件是与所述第一热层相关的温度。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述多个热调节器包括多个能够检测温度的热传感器；以及其中所述多个热调节器调节与所述第一热层相关的温度。
9.根据权利要求1所述的设备，其中每个热存储槽通过预定辐射计划在多层内散播存 储的热量。
10.根据权利要求3所述的设备，其中所述第二TEG单元被构型为在比所述第一 TEG单 元产生电能所处温度更高的温度下产生电能。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一热存储槽和所述第二热存储槽被构型 为存储不同温度的热量。
12.—种产生电能的方法，其包括接收来自热能源的热能；将所述热能的第一部分存储在热存储池中；将所述热能的第二部分经由散热通道引导穿过含有至少一个热存储池的热存储层；感测来自热能第二部分的第一温度范围和第二温度范围；在含有多个第一集成式热发电机(“ITEG”)设备的第一热层处调节所述第一温度范 围；以及响应所述第一温度范围，由所述多个第一 ITEG设备产生电能。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括感测所述第二温度范围的第一子范围和所述第二温度范围的第二子范围； 在含有多个第二 ITEG设备的第二热层处，散播所述第二温度范围的第一子范围；以及 响应所述第一子温度范围，由所述多个第二 ITEG设备产生电能。
14.根据权利要求12所述的方法，其中从热能源接收热能的步骤包括从太阳能源、地 热源、工业设备以及生物质能之一吸收热量。
15.根据权利要求14所述的方法，其中将所述热能的第一部分存储于热存储池的步骤 包括将热量存储于热槽。
16.根据权利要求15所述的方法，其中将所述热能的第二部分引导穿过热存储的步骤 包括允许热量从含有热槽的存储层辐射至所述第一热层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在第一热层调节所述第一温度范围的步骤包括 在所述第一热层维持预定温度范围以产生电能。
18.—种装配发电机的方法，其包括在衬底上淀积多个第一集成式热发电机(“ITEG “)设备；在所述多个第一 ITEG设备上形成运行来产生电能的第一热腔室；在所述第一腔室上淀积能调节温度的多个第一热调节器；以及在所述多个热调节器上淀积用于存储热量的含有一个或多个热电池的热存储层。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述热存储层上淀积吸收热量的热收集表
20.根据权利要求19所述的方法，其中在所述第一热腔室上淀积多个第一热调节器的 步骤还包括在所述多个第一热调节器上淀积多个第二 ITEG设备； 在所述多个第二 ITEG设备上形成运行来产生电能的第二热腔室；以及 在所述第二热腔室上淀积能调节温度的多个第二热调节器。
全文摘要
本发明公开一种能够由热能产生电能的多层固态热-电发电机(“MSTEG”)系统。MSTEG系统包括热层、调节层和存储层。在一个实施例中，热层包括多个构型为响应一定热条件产生电能的集成式热-电发电机(“ITEG”)设备。例如，该热条件可以是用于某一层的在900℃(摄氏)和1200℃(摄氏)之间的温差。调节层包括多个淀积在热层上的热调节器，其中热调节器调节温度。存储层包括一个或多个淀积在调节层上的热存储槽，其中每个热存储槽能存储热量。
文档编号H02N11/00GK101931346SQ20101020419
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月21日 优先权日2009年6月19日
发明者郭元樂, 黄育麟 申请人:黄育麟;郭元樂